R-T电阻温度系数测定仪的改进

引 言

传统的R-T 电阻温度系数测定仪是用来研究金属电阻与其温度关系的仪器，构造简单，可通过反复调节滑动变阻器实现对铜丝电阻温度的测量，但不具备维持温度的功能。近年来，随着微型计算机技术的迅猛发展，单片机凭借其价格低、处理能力强、控制简单、抗干扰能力优于一般 CPU 的优点， 被广泛应用于有较高控制精度和较低成本要求的工业测控系统中，同时采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器 [1]。利用单片机对传统 R-T 温度系数测定仪进行改进具有广阔的应用前景。

1 系统说明

恒温控制系统分为四个模块，分别为温度显示模块、温度测量模块、用户设定模块和加热控制模块。本文恒温控制系统选择 STC8951 单片机芯片作为主控模块，选用数字式温度传感器 DS18B20 精确测量温度。为了便于用户使用，本文恒温系统选用双端显示，将铜丝电阻实时变化的温度和用户设定的温度显示在两块四位 LED 数码管上，使效果更加直观。在温度控制方面，通过单片机处理 DS18B20 实时测量的温度与之前按键设定的温度，根据两者的差值利用 PWM 调制技术控制加热电阻加热功率和通断时间比例以实现恒温控制效果。本文系统在加热时红色 LED 指示灯亮，恒温状态时绿色LED指示灯点亮、红色 LED 指示灯闪烁。系统总体框架如图 1 所示。

2 系统硬件组成

2.1 主控模块

本设计主控模块选用单片机进行控制。单片机是集 CPU， RAM，ROM，I/O 接口与中断系统等于一体的器件，体积虽小但功能强大，只需要外加电源和晶振就可轻松实现对数字信息的处理和控制 [2]。

本设计选择宏晶科技有限公司生产的 STC89C51 芯片， 它价格便宜，功能强大，拥有 32 个可编程 I/O 口，4 kB 可编程FLASH 程序存储区存储器可擦写 10 万次以上，3 个 16 位定时器 / 计数器，2 个串行中断 / 外部中断 [3]。

2.2 温度测量模块

设计的系统采用测量精度较高的数字式温度传感器DS18B20。DS18B20 是美国达拉斯（DALLAS）公司生产的一款数字式温度传感器 [4]，能够将温度这个模拟量进行放大处理转换为数字量输送给单片机芯片，之后单片机芯片对温度进行分析处理，最终实现对温度的测量与控制，其具有如下特点：

（1）体积小且封装形式多样。

（2）温度测量范围为 -55 ℃～125 ℃，-10 ℃～ 85 ℃时测量精度需确保为 0.5 ℃。

(3) 温度测量值转化为数字量的转换时间非常短，9位温度值转换时间为 93.75 ms。

(4) DS18B20能够运用1-wire总线技术（将地址线、数据线和控制线合并为一根信号线），只需单片机的一个 I/O口即可实现双向通信，无需 A/D转化器，硬件电路简单。

(5) 工作电源为 3～5V，能够在寄生电源模式下工作，无需额外电源。

2.3 温度显示模块

设计系统采用 LED 数码管作为显示元件，它具有高亮度、寿命长、成本低廉等特点，是电子设备的常用显示器件。本设计的温控系统测温范围为 40 ℃～ 80 ℃，因此选用 4 位 8 段数码管。

2.4 温度设定模块

本设计采用两个独立式按键供用户选择，分别为加键和减键。独立式按键逻辑编程简单，只用了 2 个单片机 I/O 口， 有效节省了资源。

2.5 温度控制模块

采用场效应管控制 10 V 直流电源给 10 W/10 Ω 的水泥电阻进行加热。通过水泥电阻散发的热量加热铜丝电阻，铜丝电阻不断吸收热量最终与当前环境温度一致，由此实现恒温控制。由单片机输出 PWM 波，根据设定温度与测量温度之差决定输出功率大小，利用高低电平控制场效应管的通断，从而控制水泥电阻加热。

3 系统软件设计

本系统采用 C 语言编程，通过对单片机编程实现对各外围电路的控制。主程序首先对各子函数进行初始化 ；然后调用读取温度、显示温度、按键设定子程序 ；最后使用 PWM 脉冲调制技术控制对加热的通断，最终实现自动控制调节温度的效果。

(1) 在温度测量方面，DS18B20的操作顺序必须按照严格的时隙来控制；

(2) 在设定与显示方面，通过外部中断控制按键子程序，通过定时器中断控制扫描数码管并显示 ；

(3) 在温度控制方面， 程序按照一定的过程执行：当实时测量的温度小于设定温度时，控制 PWM 波导通场效应管，水泥电阻加热，红色指示灯亮 ；当实时测量的温度达到设定温度减 1℃时，再次判断实时温度是否达到设定温度， 若达到单片机便控制 PWM波场效应管关断，停止加热绿色指示灯亮，否则继续加热红色指示灯亮。若红色指示灯处于闪烁状态，则表明温度场为恒温状态，即铜丝电阻处于恒温状态。

4 仿真与调试

在软件调试方面，目前开发者们大多使用流行的 MCS-51系列单片机开发软件——Keil。Keil 提供了完整的开发方案，包括宏汇编、C编译器、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器，它通过一个集成开发环境（μVision）将这些组合在一起。本设计选用 Keil软件的原因在于 KeilC51标准 C编译器为 51系列单片机的软件开发提供了 C语言环境并保留了汇编代码高效、快速的特点 [5]。KeilC51软件能够提供非常丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成目标代码的效率高。

在电路仿真方面，本设计采用Proteus软件，它不仅具有与其他 EDA工具一样的 PCB自动或人工布线、原理布图和电路仿真功能，还具有互动电路仿真、应用微处理器在原理图的虚拟原型上进行编程及软件源码实时调试的独特功能 [2]。

本设计通过Proteus 软件实现电路图的绘制，之后结合Keil 软件进行调试。

5 结 语

本文设计的系统将传统温度系数测定仪常用的模拟式温度控制改进为数字式温度控制，不仅实现了对铜丝电阻温度的实时、有效测量，还能够根据用户设定的温度数值调节和控制加热装置，使铜丝电阻保持恒温状态。本系统具有开发成本低、精度高、可靠性强、灵活性高等特点，应用前景广泛。由于选用的是单片机芯片，外围电路可扩展，程序也可重新修改烧录，因此本文系统可以不断被优化。